Ti6Al4V/Ti6Al4V MALZEME ÇĠFTĠNĠN PTA KAYNAĞINDA KAYNAK BÖLGESĠNĠN ĠNCELENMESĠ
Halil DĠKBAġ
Doktora Tezi
Metalurji Eğitimi Anabilim Dalı
DanıĢman: Doç. Dr. Mustafa TAġKIN MAYIS 2012
II ÖNSÖZ
Tez konusunun önerilmesinde, yönlendirilmesinde ve tez çalışmalarım süresince her türlü desteği veren danışman hocam Sayın Doç. Dr. Mustafa TAŞKIN’a sonsuz teşekkürlerimi sunarım. Tez çalışmalarım esnasında; fikirlerini ve desteklerini eksik etmeyen Dumlupınar Üniversitesi öğretim üyesi Sayın Prof. Dr. M. Mustafa YILDIRIM’a, yorulma deneylerinde fikirlerini aldığım ve eğme yorulma makinesini kullandığım Gazi Üniversitesi öğretim üyesi Sayın Doç. Dr. Aydın ŞIK’a ve her zaman fikirlerinden istifade ettiğim tez izleme komitemde bulunan değerli hocalarım Sayın Prof. Dr. Nuri ORHAN ve Sayın Prof. Dr. Halis ÇELİK’e teşekkürü bir borç bilirim. Ayrıca desteklerinden dolayı bölümümüz öğretim üyeleri Sayın Yrd. Doç. Dr. Ali Kaya GÜR ve Sayın Yrd. Doç. Dr. Uğur ÇALIGÜLÜ'ne teşekkür ederim. Son olarak da bu tez çalışması sırasında maddi ve manevi desteklerini hiçbir zaman eksik etmeyen aileme teşekkür ederim.
Not: Bu tez çalışması Fırat Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri (FÜBAP) birimince 1863 proje numarası ile desteklenmiştir. FÜBAP idarecileri ve personellerine gösterdikleri ilgi ve alaka nedeni ile teşekkür ederim.
III ĠÇĠNDEKĠLER Sayfa No ÖNSÖZ ... II ĠÇĠNDEKĠLER ... III ÖZET ... VII SUMMARY ... IX ġEKĠLLER LĠSTESĠ ... XI 1. GĠRĠġ ... 1
2. ÇALIġMANIN LĠTERATÜRDEKĠ YERĠ VE ÖNEMĠ ... 5
3. GENEL BĠLGĠLER ... 10
3.1. Titanyum ve Alaşımları ... 10
3.1.1. Giriş ... 10
3.1.2. Titanyumun Fiziksel Metalurjisi ... 10
3.1.3. Titanyumun Alaşımlarının Sınıflandırılması ... 12
3.1.3.1. Saf Titanyum ... 12
3.1.3.2. α-Ti Alaşımları ... 13
3.1.3.3. α+β-Ti Alaşımları ... 13
3.1.3.4. β-Ti Alaşımları ... 15
3.1.4. Titanyum ve Alaşımlarının Kaynak Edilebilirliği ... 16
3.1.5. Titanyum ve Alaşımlarına Uygulanan Kaynak Yöntemleri ... 17
3.1.5.1. Giriş ... 17
3.1.5.2. Gaz Tungsten Ark Kaynağı (TIG) ... 18
3.1.5.3. Gaz Metal Ark Kaynağı (MIG) ... 19
3.1.5.4. Plazma Transfer Ark (PTA) Kaynağı ... 20
3.1.5.5. Elektron Işın Kaynağı ... 21
3.1.5.6. Lazer Işın Kaynağı... 23
3.1.5.7. Difüzyon Kaynağı... 24
3.1.5.8. Diğer Kaynak Yöntemleri ... 24
3.2. Plazma Transfer Ark (PTA) Kaynağı ... 24
IV
3.2.2. Plazma Tekniğinde Başlıca Ayar Parametreleri ... 27
3.2.2.1. Kaynak Elektrodu ... 29
3.2.2.2. Kaynak Nozulu ... 30
3.2.2.3. Plazma ve Koruyucu Gazlar ... 30
3.2.2.4. Plazma Ark Kaynak Torçları ... 32
3.2.2.5. Plazma Ark Kaynağında Kullanılan Teller ... 33
3.2.2.6. Plazma Ark Kaynağında Birleştirme Türleri ve Kaynak Ağız Tasarımı ... 34
3.2.3. PTA Kaynağında Plazmanın Oluşumu ... 34
3.2.4. PTA Kaynağında Arkın Oluşturulması ... 36
3.2.4.1. PTA Kaynağında Elektrod (-) Kutupta ... 40
3.2.4.2. PTA Kaynağında Elektrod (+) Kutupta ... 40
3.2.5. Plazma Arkı ile Kaynak ... 40
3.2.6. Plazma Arkı ile TIG Arkı Arasındaki Fark ... 41
3.2.7. Plazma Yöntemlerinin Sınıflandırılması ... 42
3.2.8. Plazma Ark Kaynağının Avantajları ... 42
3.2.9. Plazma Ark Kaynağının Dezavantajları ... 43
3.3. Kaynaklı Bağlantılarda Yorulma Dayanımının İncelenmesi ... 44
3.3.1. Yorulma Dayanımının Saptanması ... 48
3.3.2. Yorulma Deneyi ile İlgili Terimler ... 51
3.3.3. Yorulmanın Ömür Açısından Değerlendirilmesi ... 53
3.3.3.1. Ön Çatlaksız Elemanların Yorulması ... 53
3.3.3.2. Uzun Ömürlü Yorulma ... 53
3.3.3.3. Kısa Ömürlü Yorulma ... 53
3.3.3.4. Ön Çatlaklı Elemanların Yorulması ... 53
3.3.4. Yorulmada Çatlak İlerlemesi ... 54
3.3.5. Yorulma Deney Makineleri ... 55
3.3.6. Yorulmaya Etki Eden Faktörler ... 58
3.3.6.1. Malzemenin Cinsi, Bileşimi ve Yapısının Etkisi... 58
3.3.6.2. Yüzey özelliklerinin etkisi ... 59
3.3.6.3. Çentik Etkisi ... 60
V
3.3.6.5. Boyut Etkisi ... 63
3.3.7 Korozyon Yorulması ... 63
3.3.8. Kaynaklı Parçaların Yorulması ... 64
4. DENEYSEL ÇALIġMALAR ... 68
4.1. Malzeme ve Metot ... 68
4.2. Numunelerin Hazırlanması ... 69
4.3. Plazma Transfer Ark (PTA) Kaynağı ile Birleştirme ... 69
4.5. Mikrosertlik Ölçümleri ... 75
4.6. Çekme Deneyleri ... 75
4.7. Yorulma Deneyleri ... 76
5. DENEY SONUÇLARI VE TARTIġMA ... 79
5.1. Kaynaklı Birleştirmelerin Mikroyapılarının İncelenmesi... 79
5.1.1. Ti6Al4V Çiftinin 1 m/dk İlerleme Hızında Yapılan Kaynaklı Birleştirmelerin Mikroyapılarının İncelenmesi ... 79
5.1.2. Ni Aratabakalı Ti6Al4V Çiftinin 1 m/dk İlerleme Hızında Yapılan Kaynaklı Birleştirmelerin Mikroyapılarının İncelenmesi ... 85
5.1.3. Ti6Al4V Çiftinin 0.75 m/dk İlerleme Hızında Yapılan Kaynaklı Birleştirmelerin Mikroyapılarının İncelenmesi ... 88
5.1.4. Ni Aratabakalı Ti6Al4V Çiftinin 0.75 m/dk İlerleme Hızında Yapılan Kaynaklı Birleştirmelerin Mikroyapılarının İncelenmesi ... 94
5.1.5. Ti6Al4V Çiftinin 0.5 m/dk İlerleme Hızında Yapılan Kaynaklı Birleştirmelerin Mikroyapılarının İncelenmesi ... 97
5.1.6. Ni Aratabakalı Ti6Al4V Çiftinin 0.5 m/dk İlerleme Hızında Yapılan Kaynaklı Birleştirmelerin Mikroyapılarının İncelenmesi ... 103
5.2. Ti6Al4V Çifti ve Ni Aratabakalı Çiftlerin Kaynaklı Birleştirmelerin Mikrosertliklerinin İncelenmesi ... 112
5.3. Ti6Al4V Çifti ve Ni Aratabakalı Çiftlerin PTA Kaynaklı Birleştirmelerin Çekme Dayanımlarının İncelenmesi ... 115
5.4. Ti6Al4V Çifti ve Ni Aratabakalı Çiftlerin Kaynaklı Birleştirmelerin Yorulma Dayanımlarının İncelenmesi ... 119
VI
6.1. Sonuçlar ... 126
6.2. Öneriler ... 129
KAYNAKLAR ... 130
VII ÖZET
Geleneksel ergitme kaynak yöntemleri ile birleştirilme problemlerine sahip olan ve özellikle kimya sanayi, uzay ve savunma sanayi gibi imalat alanlarında geniş bir kullanıma sahip Ti6Al4V alaşımları yeni ve ileri bir kaynak tekniği olan plazma transfer ark (PTA) kaynak yöntemi ile birleştirilebilmektedir. Ancak Ti6Al4V alaşımlarının PTA kaynağı ile birleştirilebilirliği hakkındaki araştırma sınırlı sayıdadır.
PTA kaynağı; tungsten bir elektrod ve iş parçası arasında oluşturulan bir ark ile transfer edilen ısıyla metallerin birleştirildiği bir koruyucu gaz ark yöntemidir. Ark, yüksek hızda bir ark sütunu oluşturmak için bakır alaşımlı bir nozul tarafından daraltılır. Bu yöntem isteğe bağlı olarak ilave dolgu metali kullanılarak da yapılabilir. Genellikle PTA kaynak yöntemi; farklı kalınlıklara sahip paslanmaz çeliklerin, tantalyum ve zirkonyum gibi özel amaçlı malzemeler, alüminyum alaşımları, titanyum alaşımları, alaşımlı ve karbonlu çelikler, bakır ve nikel alaşımlarında kullanılır. Günümüzde PTA kaynağı; uzay, nükleer, elektronik, gemi inşaatı ve diğer birçok endüstri kollarında kullanılan bir kaynak yöntemidir. Yöntem serbestlik ve ekonomi sağlamanın yanı sıra, yüksek kalite ve güvenilirliğe sahiptir.
Bu çalışmada; Ti6Al4V alaşımları Ni aratabaka kullanılarak ve kullanılmaksızın farklı işlem parametrelerinde PTA kaynak yöntemi ile kaynak ağzı açmadan ve ilave tel kullanılmadan birleştirilmeye çalışılmıştır. Kaynaklı numunelerde işlem parametrelerinin kaynaklı bağlantıların birleşme bölgesinde meydana gelen mikroyapısal değişim ve mekanik özellikler üzerine olan etkileri araştırılmıştır. Numunelerin metalografik olarak; optik mikroskop ve SEM görüntüleri ile kaynak bölgesi incelenmiş, oluşması muhtemel intermetalik fazlar EDS ve XRD analizleri yardımı ile tespit edilmiştir. Kaynaklı bağlantıların mekanik dayanımları çekme testi ve yorulma testi ile belirlenmiş ve birleşme bölgelerinin mikrosertlik profilleri çıkarılmıştır. Çalışma sonucunda işlem parametrelerinin birleşme kalitesinde önemli ve birleşme kalitesini artırmanın mümkün olduğu tespit edilmiştir.
Bu doktora tez çalışması altı bölümden oluşmaktadır. Birinci bölümde konuya giriş yapılmış, ikinci bölümde güncel literatür bilgilerine yer verilmiştir. Üçüncü bölümde titanyum ve alaşımları hakkında, PTA kaynağı hakkında ve kaynaklı bağlantıların yorulma dayanımları ile ilgili bilgilere yer verilmiştir. Dördüncü bölümde deneysel çalışmaların yöntemleri ve deneylere hazırlık kısımları ele alınmıştır. Beşinci bölümde deneysel çalışmalar detaylı olarak
VIII
incelenirken deney sonuçları irdelenmiş ve altıncı bölümde çalışma sonucunda elde edilen sonuçlar verilmiştir.
Anahtar Kelimeler: Ti6Al4V Alaşımları, PTA Kaynağı, Ni Aratabaka, İntermetalik Faz.
IX SUMMARY
THE INVESTIGATION OF WELDING ZONE OF Ti6Al4V/Ti6Al4V ALLOY PAIR BY USE OF PTA WELDING METHOD
It is difficult to weld the Ti6Al4V alloy welding pair by use of traditional fusion welding methods. This alloy particularly uses in chemical industry, aerospace and defense industries. This welding pair has been bonded by use of plasma transferred arc (PTA) method which is a new and improved manufacturing technique. The researches about weldability of Ti6Al4V alloy pair with PTA welding method are limited.
PTA welding method is a protective gas arc transfer method. In this welding process an electric arc between the tungsten electrode and workpiece which melts metal consists. To achieve a high speed arc column at the copper nozzle, the mouth of nozzle has been narrowed. This method also can be used in the treatment of metal filler. Generally PTA welding method uses to weld different thicknesses of stainless steel, special materials such as tantalum and zirconium, aluminum alloys, titanium alloys, steel alloys, plain carbon steels, copper and nickel alloys. Today, PTA welding method uses in aerospace, nuclear, electronics, shipbuilding and many other branches of industry. This method involves not only the freedom and economy, it involves also the highest quality and dependability.
In this study, Ti6Al4V welding pair has been joined without use of any interlayer material and with use of Ni metal as interlayer material together without open mouths and without use of an additional wire by PTA welding method. The microstructural changes and mechanical properties of alloys after welding process parameters have been investigated optical microscopy and SEM images. In the welding zone intermetallic phases formed have been determined by EDS and XRD analysis. Mechanical properties of welded joint were determined by tensile strength test method and fatigue test method. The microhardness of joints has been carried out by microhardness tests. As result, it has been found, that to improve a best quality the working parameters must be well regulate.
This PhD thesis consists of six chapters. The first chapter has been made an introduction, the second chapter has been given the actual literature. The third chapter has been given information about titanium and its alloys, information about the PTA welding and
X
information about the fatigue strength of welded joints. The fourth chapter has been given information about the experimental studies and part of the preparation methods. The fifth chapter has been given experimental studies and the sixth chapter has been given the results of study.
XI
ġEKĠLLER LĠSTESĠ
Sayfa No
ġekil 3.1. Titanyumun mikro yapısı üzerine alaşım elementlerinin etkisi ... 11
ġekil 3.2. TIG kaynak yönteminin şematik görünümü ... 18
ġekil 3.3. MIG kaynak yönteminin şematik görünümü ... 19
ġekil 3.4. Plazma transfer ark kaynak yönteminin şematik görünümü ... 21
ġekil 3.5. Elektron ışın kaynak makinesinin şematik görünümü ... 22
ġekil 3.6. Nd-YAG katı hal lazerinin şematik görünümü ... 23
ġekil 3.7. Plazma transfer ark kaynağının şematik görünüşü... 26
ġekil 3.8. Plazma transfer ark kaynağında elektrodun uç kısmının nozula göre ayarlanması .. 27
ġekil 3.9. Malzeme kalınlığına bağlı olarak akım şiddetinin belirlenmesi ... 28
ġekil 3.10. PTA kaynak elektrodu ... 29
ġekil 3.11. PTA kaynağı nozulu ... 30
ġekil 3.12. PTA kaynak torcu ... 33
ġekil 3.13. Maddenin plazma haline geçişi ... 35
ġekil 3.14. Plazma transfer ark alevi ... 35
ġekil 3.15. PTA plazmasının ısı dağılımı ... 36
ġekil 3.16. PTA kaynağında nozul ve elektrod ... 37
ġekil 3.17. PTA kaynak torcunda gaz akış yolları ... 37
ġekil 3.18. PTA kaynağında pilot ark ... 38
ġekil 3.19. PTA kaynağında transfer olmuş ark ... 39
ġekil 3.20. Plazma arkı oluşturma yöntemleri ... 39
ġekil 3.21. Plazma transfer ark kaynağının şematik görünüşü... 41
ġekil 3.22. En çok bilinen yorulma çatlağının oluşumu... 45
ġekil 3.23. Paralel küçük çizgiler olarak yorulma kırılması ... 45
ġekil 3.24. Yüzeyden 45°lik açı ile çatlak oluşumu ... 46
ġekil 3.25. Yorulma kırılmasının ilerlemesi ... 46
ġekil 3.26. Çatlak oluşumunda sistematik olarak farklı aşamaların oluşumu ... 47
ġekil 3.27. Yorulma çatlağı ilerlemesi için plastik kütleşme işlemi ... 48
ġekil 3.28. Çeşitli tipte yorulmalardan oluşan farklı yorulma kırılmalarının gösterilmesi ... 49
XII
ġekil 3.30. Yorulma deneyi ile ilgili gerilme-zaman çevrimi ... 51
ġekil 3.31. Yorulma çatlak ilerlemesinde oluşan bölgeler ... 54
ġekil 3.32. Dönen eğmeli yorulma cihazının şematik gösterilişi ... 56
ġekil 3.33. Dönen eğilmeli konsol tipi yorulma cihazının şematik olarak gösterimi ... 56
ġekil 3.34. Eğilmeli yorulma cihazının şematik olarak gösterimi ... 57
ġekil 3.35. Çekme-basma tipli yorulma cihazının şematik olarak gösterimi ... 58
ġekil 3.36. Bazı malzemelerde görülen düzlemsel eğme gerilmeleri ve çevrim sayı ilişkisi ... 59
ġekil 3.37. Kaynaklı birleştirmede çentik etkisi ... 61
ġekil 3.38. Korozyonun yorulmaya etkisi ... 63
ġekil 3.39. Yorulma kırılmasına ait örnekler ... 64
ġekil 3.40. Çalışma koşullarında yorulma kırılmasına ait örnekler ... 65
ġekil 3.41. Kaynaklı birleştirmelerde yorulma kırılmasına ait örnekler ... 65
ġekil 3.42. Kaynaklı birleştirmelerde oluşan bölgeler ... 65
ġekil 3.43. Kaynaksız ve farklı kaynak yöntemlerindeki yorulma değerleri ... 67
ġekil 4.1. PTA kaynak uygulamasının ve kaynak torcunun şematik resmi ... 70
ġekil 4.2. Thermal Dynamic/Arc PTA kaynak makinesi koruyucu gaz tüp bağlantıları ve kontrol paneli ... 71
ġekil 4.3 Plazma kaynağıyla birleştirilen numunelerin sıkma aparatının şematik resmi ... 73
ġekil 4.4. Plazma kaynağıyla birleştirilmiş numunelerin fotoğrafı ... 73
ġekil 4.5. Optik mikroskop, çekme, yorulma, mikrosertlik ve XRD analizleri için numune hazırlanması ... 74
ġekil 4.6. Mikrosertlik incelemeleri için hazırlanan numunelerin şematik resmi ... 75
ġekil 4.7. Çekme testi deneyinde kullanılan numunenin ölçüleri ... 76
ġekil 4.8. Çekme testi deneyinde kullanılan numunelerin fotoğrafı ... 76
ġekil 4.9. Yorulma deneyinde kullanılan numunenin ölçüleri ... 77
ġekil 4.10. Yorulma deneyinde kullanılan eğme yorulma makinesinin şematik resmi... 77
ġekil 4.11. Yorulma testi deneyinde kullanılan numunelerin fotoğrafı ... 78
ġekil 5.1. 1 m/dk ilerleme hızında yapılan birleştirmelerin görüntüleri ... 79
ġekil 5.2. Aratabakasız 1 m/dk ilerleme hızında yapılan birleştirmelerden N1 numunesinin optik görüntüleri ... 81
XIII
ġekil 5.3. Aratabakasız 1 m/dk ilerleme hızında yapılan birleştirmelerden N4 numunesinin optik görüntüleri ... 82 ġekil 5.4. Aratabakasız 1 m/dk ilerleme hızında yapılan birleştirmelerden N7 numunesinin
optik görüntüleri ... 83 ġekil 5.5. N1 numunesinin SEM-EDS analizi ... 84 ġekil 5.6. 1 m/dk ilerleme hızında birleştirilen N4 numunesinden alınmış XRD analizi ... 85 ġekil 5.7. 1 m/dk ilerleme hızında kaynak yapılmış Ni aratabakalı numunelerin görüntüleri .. 86 ġekil 5.8. 1 m/dk ilerleme hızında kaynak yapılmış Ni aratabakalı Ni1 numunesinden alınmış
kırık yüzey SEM-EDS analizi ... 87 ġekil 5.9. 1 m/dk ilerleme hızında kaynak yapılmış Ni aratabakalı Ni1 numunesinden alınmış
kırık yüzey XRD analizi ... 87 ġekil 5.10. 0.75 m/dk ilerleme hızında yapılan birleştirmelerin makro görüntüleri ... 89 ġekil 5.11. Aratabakasız 0.75 m/dk ilerleme hızında yapılan birleştirmelerden N2
numunesinin optik görüntüleri ... 90 ġekil 5.12. Aratabakasız 0.75 m/dk ilerleme hızında yapılan birleştirmelerden N5
numunesinin optik görüntüleri ... 91 ġekil 5.13. Aratabakasız 0.75 m/dk ilerleme hızında yapılan birleştirmelerden N8
numunesinin optik görüntüleri ... 92 ġekil 5.14. N8 numunesinin SEM-EDS analizi ... 93 ġekil 5.15. 0.75 m/dk ilerleme hızında birleştirilen N5 numunesinden alınmış XRD analizi .. 94 ġekil 5.16. 0.75 m/dk ilerleme hızında yapılmış Ni aratabakalı numunelerin görüntüleri ... 95 ġekil 5.17. 0.75 m/dk ilerleme hızında kaynak yapılmış Ni aratabakalı Ni5 numunesinden
alınmış kırık yüzey SEM-EDS analizi ... 96 ġekil 5.18. 0.75 m/dk ilerleme hızında kaynak yapılmış Ni aratabakalı Ni5 numunesinden
alınmış kırık yüzey XRD analizi ... 97 ġekil 5.19. 0.5 m/dk ilerleme hızında yapılan birleştirmelerin görüntüleri ... 98 ġekil 5.20. Aratabakasız 0.5 m/dk ilerleme hızında yapılan birleştirmelerden N3 numunesinin
optik görüntüleri ... 99 ġekil 5.21. Aratabakasız 0.5 m/dk ilerleme hızında yapılan birleştirmelerden N6 numunesinin
XIV
ġekil 5.22. Aratabakasız 0.5 m/dk ilerleme hızında yapılan birleştirmelerden N9 numunesinin
optik görüntüleri ... 101
ġekil 5.23. N6 Numunesinin SEM-EDS Analizi ... 102
ġekil 5.24. 0.5 m/dk ilerleme hızında kaynak yapılmış N6 numunesinden alınmış XRD analizi ... 103
ġekil 5.25. 0.5 m/dk ilerleme hızında yapılan Ni aratabakalı birleştirmelerin görüntüleri ... 104
ġekil 5.26. 0.5 m/dk ilerleme hızında yapılan Ni aratabakalı birleştirmelerden Ni3 numunesinin optik görüntüleri ... 105
ġekil 5.27. 0.5 m/dk ilerleme hızında yapılan Ni aratabakalı birleştirmelerden Ni6 numunesinin optik görüntüleri ... 106
ġekil 5.28. 0.5 m/dk ilerleme hızında yapılan Ni aratabakalı birleştirmelerden Ni9 numunesinin optik görüntüleri ... 107
ġekil 5.29. Ni aratabakalı 0.5 m/dk ilerleme hızında birleştirilen numunelerin SEM görüntüleri ... 108
ġekil 5.30. Ni6 numunesinden alınmış EDS analizine ait difüzyon haritası ... 108
ġekil 5.31. Ni6 numunesinin SEM-EDS analizi ... 111
ġekil 5.32. 0.5 m/dk ilerleme hızında kaynak yapılmış Ni aratabakalı Ni6 numunesinden alınmış XRD analizi ... 112
ġekil 5.33. Aratabakasız PTA kaynaklı Ti6Al4V numunelerin mikrosertlik grafikleri ... 113
ġekil 5.34. Ni aratabakalı PTA kaynaklı numunelerin mikrosertlik grafikleri ... 114
ġekil 5.35. Aratabakasız PTA kaynaklı Ti6Al4V numunelerin çekme sonrası resimleri ... 115
ġekil 5.36. Aratabakasız birleştirilmiş Ti6Al4V çiftlerinin maksimum gerilme değerleri ... 117
ġekil 5.37. Ni aratabakalı PTA kaynaklı numunelerin çekme sonrası resimleri ... 118
ġekil 5.38. Ni aratabakalı PTA kaynaklı numunelerin çekme dayanımı grafikleri ... 119
ġekil 5.39. Aratabakasız PTA kaynaklı Ti6Al4V numunelerin yorulma sonrası resimleri .... 120
ġekil 5.40. Ni aratabakalı PTA kaynaklı numunelerin yorulma sonrası resimleri ... 120
ġekil 5.41. Ti6Al4V alaşımının gerilme-çevrim sayısı (S/N) grafiği ... 121
ġekil 5.42. 1 m/dk ilerleme hızında birleştirilmiş aratabakasız numunelerin gerilme-çevrim sayısı (S/N) grafikleri ... 122
ġekil 5.43. 0,75 m/dk ilerleme hızında birleştirilmiş aratabakasız numunelerin gerilme-çevrim sayısı (S/N) grafikleri ... 123
XV
ġekil 5.44. 0,5 m/dk ilerleme hızında birleştirilmiş aratabakasız numunelerin gerilme-çevrim sayısı (S/N) grafikleri ... 124 ġekil 5.45. 0,5 m/dk ilerleme hızında birleştirilmiş Ni aratabakalı numunelerin gerilme-çevrim sayısı (S/N) grafikleri ... 125
XVI
TABLOLAR LĠSTESĠ
Tablo 3.1. Alaşımsız titanyumun farklı arayer oranlarına sahip tipleri ve mekanik
özellikleri ... 12
Tablo 3.2. α-Ti alaşımlarının kimyasal bileşimleri ve mekanik özellikleri ... 13
Tablo 3.3. α+β Ti alaşımlarının kimyasal bileşimleri ve mekanik özellikleri ... 14
Tablo 3.4. β Ti alaşımlarının kimyasal bileşimleri ve mekanik özellikleri ... 16
Tablo 3.5. Ti6Al4V alaşımının TIG kaynak parametreleri ... 19
Tablo 3.6. Ti6Al4V alaşımının MIG kaynak parametreleri ... 20
Tablo 3.7. Ti6Al4V alaşımının PTA kaynağı için tipik kaynak parametreleri ... 21
Tablo 3.8. Ti6Al4V alaşımının EIK için tipik kaynak parametreleri ... 22
Tablo 3.9. Ti-6Al-4V alaşımının LIK için tipik kaynak parametreleri ... 23
Tablo 3.10. Plazma ile birleştirme kaynağında başlıca kaynak parametreleri ... 28
Tablo 3.11. Plazma ark kaynağında gaz akış debileri ... 31
Tablo 3.12. Plazma yöntemlerinin sınıflandırılması ... 42
Tablo 3.13. Çeşitli numune yüzeyini hazırlama yöntemine göre eğilmeli yorulma ömürleri .. 60
Tablo 4.1. Deney çalışmalarında kullanılan malzemelerin kimyasal analizleri ... 69
Tablo 4.2. Deney çalışmalarında kullanılan malzemenin mekanik özellikleri ... 69
Tablo 4.3. PTA kaynağında kaynak parametreleri ... 70
Tablo 4.4. Çalışmada kullanılan kaynak parametreleri ... 72
Tablo 4.5. Metalografik çalışmada kullanılan dağlayıcıların bileşimi ve dağlama koşulları ... 74
Tablo 5.1. Aratabakasız PTA kaynaklı Ti6Al4V numunelerin çekme deneyi sonuçları ... 116
1. GĠRĠġ
21. yüzyılın hızla gelişen bilgi ve teknoloji dünyasında malzeme bilimi ve mühendisliğinde de hızlı gelişmeler yaşanmaktadır.
Günümüzde metal-malzeme endüstrisinde Ti’un kullanım alanları da artmaktadır. Titanyum yüksek derecede şekillendirilebilirlik özelliğine sahip, düşük yoğunluklu (4.54 gr/cm3) bir elementtir. Manyetik olmayan Ti, çeliklerden daha yüksek ergime derecesine de sahiptir. Ti ve alaşımlarının sahip olduğu yüksek dayanım, iyi tokluk, düşük yoğunluk, biyouyum ve iyi korozyon dayanımı gibi özelliklerinden dolayı uzay endüstrisi ve yüksek performansın gerekli olduğu uygulamalarda oldukça fazla kullanım alanına sahiptir. Yeni nesil bir malzeme grubuna giren Ti ve alaşımları kendi aralarında ergitme kaynak yöntemleriyle (Lazer, TIG ve MIG) birleştirildiği gibi, Ti ve alaşımlarının diğer metal alaşımlarıyla (Al alaşımları, çelik, Ni alaşımları v.b.) birleştirilmesinde katı hal kaynak yöntemleri (difüzyon, sürtünme v.b.) kullanılmaktadır.
Endüstrinin vazgeçilmez birleştirme yöntemi olan kaynak teknolojisinin her geçen gün kullanım ve uygulama alanlarında artmalar gözlenmektedir. Geleneksel yöntemlerin piyasadaki yerini modern yöntemler almaya başlamış ve son yıllarda Lazer ve Plazma Transfer Ark (PTA) Kaynağı gibi yeni kaynak yöntemleri de yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır.
Titanyum yüksek dayanım/ağırlık oranına sahiptir. Dünyanın titanyum üretimi, çelik üretimi ile karşılaştırıldığında çok küçüktür. Üretilen titanyumun % 80’ni havacılık ve uzay uygulamalarında kullanılmaktadır. Ne yazık ki, titanyum ve alaşımlarının maliyeti yaygın olarak kullanılan metallerden daha fazladır. Çünkü bunların cevherlerinden üretimleri çok zordur ve üretimlerinde çok gelişmiş ergitme ve uygulama teknikleri kullanılmalıdır. Titanyum alaşım fabrikasyonunun yüksek maliyeti, prensip olarak bu metalin yüksek reaktifliği ve oksijen, azot, hidrojen ve karbon için duyarlılığının bir sonucudur. Titanyum pazarının yaklaşık % 60’ı büyük öneme sahip ve geniş kullanım alanına sahip Ti6Al4V'dir. Bu alaşım, yüksek yorulma direnci, korozyon direnci, yüksek biyouyumluluk ve yüksek dayanıma sahiptir.
2
Mikroyapılarına bağlı olarak titanyum alaşımları alaşımsız, , yakın , + ve olarak sınıflandırılır. Bu tanımlar işlem sonrası genel mikroyapıyı ifade etmektedir. Bir alaşımı, yalnızca çok az miktarda fazı içerebilir. Bir + alaşımı, ve dönüşmüş 'dan meydana gelir. Metastabil bir alaşımı ise oda sıcaklığına soğutulduğunda kalıntı fazı oluşumuna yönlenecek, fakat ısıl işlemle ince fazı çökelecektir.
Titanyum alaşımları HSP (hekzagonal sıkı paket) kristal kafes sistemine sahiptir. Titanyum fazını kararlı hale getiren yeralan elementler alüminyum, galyum ve germanyumdur. Oksijen, karbon ve azot gibi arayer elementleri de fazını kararlı hale getirir. Bazı durumlarda mikro yapının tamamı fazından oluşur. Yalnızca fazından oluşan alaşımlarına ısıl işlem uygulanmaz, ancak dövme sonrası gerilmeyi azaltmak için tavlanırlar. alaşımlarında küçük miktarda sünek fazının bulunması ısıl işlem ve dövülebilirlik yönünden avantajlıdır. Bu nedenle alaşımlar % 1 Mo içerebilir. Buna örnek olarak Ti6Al2Sn4Zn2Mo alaşımı verilebilir. alaşımının temel alaşım elementlerinden Sn ve Zr katı eriyik mukavemetini arttırmak için kullanılır.
Yalnızca fazı oluşumu yüksek alüminyum miktarı ile sağlanabilir. alaşımları iki temel niteliğe sahiptir; birincisi kaynak edilebilirlik, ikincisi ise yüksek sıcaklıklarda dayanımı muhafaza etmedir. Bu niteliklerden birincisi tek fazlı mikro yapıdan kaynaklanır, ikincisi ise yapıdaki alüminyumun varlığındandır. alaşımlarına en büyük mukavemet etkisi sağlayan alüminyumdur. Yaklaşık % 6’dan fazla alüminyum içeren alaşımlarının sıcak işlenmesi zordur. Yüksek alüminyum içeren alaşımlarının sıcak işlenebilirliğini iyileştirmek için yeterli miktarda kararlaştırıcı alaşım elementleri ilave edilir.
+ titanyum alaşımları, mikroyapılarında ve fazlarının karışımını içerir. Bu alaşımların mukavemetleri yaşlandırma ısıl işlemleri ile arttırılabilir. Bazı + alaşımları tavlanmış durumda kullanılırlar. Tavlanmış durumda mükemmel kırılma tokluğuna sahiptirler. Dayanım/yoğunluk oranı ısıl işlemle birlikte artar. Pek çok + alaşımları yüksek dayanım ve şekillenebilirliğe sahiptir. Ti6Al4V yaygın olarak kullanılan ve en iyi bilinen dövme alaşımıdır. Üretilen titanyum alaşımlarının yaklaşık yarısını + alaşımları oluşturur. Bu alaşımları önemli yapan özellikler; yüksek mukavemet, yüksek sürünme dayanımı ve iyi dökülebilirlik özellikleridir.
3
Yeterli miktarda kararlaştırıcı alaşım elementleri titanyuma ilave edilirse tüm kararsız fazından oluşan bir yapı su verme ile hatta bazı durumlarda havada soğutma ile oda sıcaklığında elde edilebilir, titanyum alaşımları için prensip alaşım elementleri V, Mo, Cr ve Fe’dir. Zirkonyum bazen ve fazlarının her ikisinin de dayanımım arttırmak için ilave edilir. Alüminyum da bu alaşımların çoğuna yoğunlukları azaltmak, biraz katı eriyik oluşumu yolu ile mukavemetlerime sağlamak ve oksidasyon direnci arttırmak için ilave edilir. Titanyum alaşımları HMK kristal yapılarından dolayı çözündürme ısıl işlemi uygulanmış ve su verilmiş şartlarda kolaylıkla şekillendirilirler.
Alaşımsız titanyum ve titanyum alaşımlarının tümü kaynak edilebilir. Ticari saf titanyumun kaynağında, düşük demir içerikli dolgu metalleri kullanılmalıdır ve kaynak bölgesinin Fe ile temasını sağlayacak tüm uygulamalardan kaçınılması gerekir. % 98.5-99.5 saflıkta bulunan alaşımsız titanyumların tümü soğuk işlenmiş durumdan çok tavlanmış durumda kaynak edilebilir.
alaşımları yüksek sünekliklerinden dolayı daha iyi kaynak edilebilirliğe sahiptirler. Düşük arayer elementleri içeren alaşımları yüksek tokluk gösterir ve düşük sıcaklık uygulamaları için uygundur. alaşımlarının sonrası kaynak gerilmeleri yüksek olabilir. Bu yüzden kaynak sonrası bu gerilmelerin giderilmesi önerilir. Bazı durumlarda kaynakta oluşacak çatlakları önlemek için özel kaynak yöntemlerine gereksinim duyulabilir. Bu alaşımlarda demirin varlığı sürünme dayanımını azaltır.
Ti6A14V alaşımı en iyi kaynak edilebilirliğe sahiptir. Hem tavlanmış durumda hem de çözündürme ısıl işlemi uygulanmış durumda kaynak edilebilir. Yaşlanma, kaynak sonrası gerilim giderme ısıl işlemi sırasında tamamlanabilir. Yalnızca soğuk işleme ile mukavemetlendirilebilen ve alaşımsız titanyuma kıyasla, + ve alaşımları ısıl işlemle mukavemetlendirilebilir. Yüksek miktarda kararlaştıncı element içeren + alaşımları kaynak edilebilirliği sınırlandırır. Kaynak bölgesinde küçük kusurların varlığında ya da yüksek sınırlama altında kaynak edildiklerinde çatlamaya eğilim gösterirler. Kaynaktan hemen sonra gerilim giderme tavlaması yapılmalıdır.
Plazma ark kaynağının başlıca uygulamalarından biri, Ti alaşımlarının birleştirilmesidir. Anahtar deliği kaynağı paslanmaz ve düşük alaşımlı çeliklere göre titanyumda daha kalın küt alın birleştirmelerine uygulanabilir. Koruyucu gaz olarak genelde argon kullanılır. Helyum-
4
argon karışımı özel olarak kullanılır. Titanyumu gevrekleştirdiği için koruyucu gaza hidrojen eklenmemelidir.
Plazma kaynağında, kaynak hızının yüksek ve buna bağlı olarak ısı girdisi ve nüfuziyetin kontrol edilebilir olması sebebi ile Ti6Al4V alaşımları için PTA kaynak yönteminde en uygun parametrelerin tespit edilmesi amaçlanmıştır.
2. ÇALIġMANIN LĠTERATÜRDEKĠ YERĠ VE ÖNEMĠ
Son yıllarda plazma ark kaynağı özellikle gelişmiş ülkelerde ülkemize nazaran daha çok kullanılmaktadır. Ekonomikliği, hızlı olması, kaliteli dikişler oluşturulması, daha derin nüfuziyet, daha az kaynak ağız açma hazırlığı, daha az açısal çarpılmaya neden olacak ısı girdisi ve tek paso ile ilave metal kullanmadan kaynak yapabilme gibi nedenlerden dolayı TIG kaynağına göre daha çok kullanılır konuma gelmiştir. Ancak bu üstünlüklerine rağmen yapılan araştırma sayısı çok azdır, Ti6Al4V alaşımlarıyla ilgili yapılan araştırma ise yok denecek kadar azdır. Konu ile ilgili seçilen bazı önemli araştırmalar aşağıda özetlenmiştir.
Martikainen (1995), yapı çeliklerinin plazma ark anahtar deliği kaynağında yüksek kaliteli kaynak için şartları incelemiştir. Bu çalışmada yapı çeliklerinin ve yüksek mukavemetli çeliklerin dikey ve yatay pozisyonda I-oluk ile alın kaynağı ve kalın parçalar için kök birleştirmeler yapılarak kaynak kabiliyetinin iyi olduğu şartları incelenmiştir. Anahtar deliği plazma ark kaynağının basınçlı kaplar, tanklar, büyük çaplı borular ve geniş plakalarda lazer ışın kaynağı ve elektron ışın kaynağı kadar başarı bir şekilde kullanılabileceğini tespit etmiştir.
He vd., (1999), Ni aratabakalı Ti6Al4V alaşımının, 18Cr10Ni paslanmaz çelik alaşımının difüzyon kaynağındaki birleşme özelliklerini incelemişlerdir. Yapılan incelemeler ve analizler sonucunda; Ni aratabaka sayesinde karşılıklı malzeme çiftleri arasında Ti, Fe ve C atomları geçişinin meydan geldiğini ve bu durumun basınç ile deformasyonun artışından kaynaklandığı sonucuna varmışlardır. Optimum deney parametreleri olarak kaynak sıcaklığını 850-880 oC, kaynak basıncını 8-10 MPa, kaynak
süresini 10-20 dk, numunelerin bağ geçiş oranını 1-1.5 mm ve bindirme kayma değerlerini 60-74 MPa olarak tespit etmişlerdir. Ayrıca Ni aratabaka kullanılarak TiFe, TiFe2 ve TiC
gibi zararlı intermetalik bileşiklerin oluşumu engellenmiştir. Yüksek sıcaklıkta TiNi3, TiNi
ve Ti2Ni gibi kırılgan tabakaları tespit etmişlerdir.
Zhou ve Chew, (2003), titanyum alaşımında son birleştirme bölgesinin darbe tokluğuna kaynağın etkisini incelemişlerdir. Bu çalışmada Ti6Al4V alaşımı gaz tungsten ark yöntemi ile kaynak edilmiş ve birleşmenin son kısmına Charpy çentik darbe deneyi uygulanarak kaynağın darbe tokluğuna etkisini incelemişlerdir. Gerekli incelemeler yapıldıktan sonra kaynağın darbe direncinin; ana metal veya ITAB bölgesininkinden daha
6
yüksek çıktığını ve bunun nedeninin kaynak metalindeki azalan α-titanyum alaşımından kaynaklandığı düşünülmektedir.
Ucok vd., (2005), Ti6Al4V tüplerin mikroyapı ve çekme özelliklerine kaynağın etkisini incelemişlerdir. Bu çalışmada 0.4 cm kalınlığındaki Ti6Al4V tüplerini akış işlemi gördükten sonra PTA kaynağı ile kaynak etmişlerdir. Numuneleri, metalografi, çekme ve yorulma testlerine tabi tutarak; elde edilen akma gerilmesi, çekme gerilmesi, % uzama değerlerinin kaynak işlemine etkisini incelemişlerdir. Bu malzeme çifti için PTA kaynak yönteminin başarı bir şekilde uygulanabildiğini, ana malzeme ile kaynaklı malzemenin değerleri kıyaslandığında; ana malzemeye ait değerlerin daha yüksek çıktığını, bunun nedeninin ise kaynak öncesi tüplere uygulanan akış işleminden kaynaklandığını tespit etmişlerdir.
D’Oliveira vd., (2006), darbe akımlı sert dolgu transferli plazma arkını incelemişlerdir. Bu çalışmada darbeli akım kullanılarak düşük karbonlu ve paslanmaz çelik yüzeyine yüksek C-Co alaşımını PTA kaynak yöntemi ile sert dolgu yapmışlardır. Yapılan incelemeler sonucunda; daha iyi bir mikroyapı, daha yüksek bir sertlik ve düşük genleşme tespit etmişlerdir. Ayrıca akım yoğunluğunun, altlık malzemesinin kimyasal bileşimi ile etkileşiminde önemli bir yere sahip olduğunu tespit etmişlerdir. Akım yoğunluğunun artışına paralel olarak yüksek genleşme ve düşük sertlik elde etmişlerdir.
Urena vd., (2007), plazma ark kaynağı kullanılarak 2205 dublex paslanmaz çeliğin kaynak edilebilirliğini incelemişlerdir. 2205 dublex paslanmaz çeliğinin plazma ark kaynağında metalurjik olarak kaynağa elverişliliği ve uygun işlem için minimum net enerjiyi tespit etmek amacı ile iki farklı yöntemi (anahtar deliği plazma ark kaynak yöntemi ve ergitme plazma ark kaynak yöntemi) kullanarak optimum kaynak şartlarını belirlemeye çalışmışlar; kaynak sonrasında anahtar deliği plazma ark kaynak tekniğinde 2500-3000 J/cm oranlarında uygulanan enerji ile bu malzemenin kaynağının başarılabildiğini, daha yüksek nüfuziyet ve kaynak genişliğine ulaşıldığını tespit etmişlerdir.
Correa vd., (2008), darbeli plazma ark kaynak tekniği ile demir esaslı toz metal malzemelerin keyhole darbeli plazma ark kaynak yöntemi ile kaynak edilebilirliğini incelemişlerdir. Bu çalışmada üç farklı demir esaslı (saf demir, Fe-Ni ve Fe-P-Ni) toz metal alaşımlar kullanmışlardır. Darbeli akım kaynak parametrelerinin kaynaklı birleştirmelerin mikroyapı ve mekaniksel özellikleri üzerine kaynak parametrelerinin etkisini incelemişler; Fe ve Fe-Ni alaşımları için açıklanan mikroyapı incelemelerine göre
7
kaynak ergime bölgesinde gözenek ve çatlakların var olduğunu tespit etmişlerdir. Ayrıca 7 mm kalınlığındaki ve % 0.25 yüksek seviyedeki P içerikli Fe-Ni-P toz metal alaşımlı numunede, yüksek ergiyen metal hacmi ve hızlı soğutma etkisinden dolayı, yüksek çekme gerilimine bağlı olarak, başarısız bir geçiş ve katılaşma çatlaklarının oluştuğunu, bu problemin numunenin kalınlığını 4 mm’ye azaltarak giderilebileceğini ifade etmişlerdir. Bu alaşımlarla kaynatılan numunelerin kaynaksız numunelerden daha yüksek bir çekme dayanımına sahip olduğunu, bu nedenle demir esaslı toz metal alaşımların ilave metalsiz plazma ark kaynak yöntemi ile başarılı bir şekilde birleştirilebileceğini tespit etmişlerdir.
Özel vd., (2008), plazma transfer ark kaynağı ile paslanmaz çelik yüzeyine NiTi kaplamasının mikroyapısal karakteristiğini incelemişlerdir. Bu çalışmada AISI 304 ostenitik paslanmaz çelik yüzeyine NiTi tozları Ar atmosferinde 80-90-100 A akımda plazma transfer ark (PTA) kaynağı kullanılarak yüzey kaplama yapılmıştır. Kaplama tabakasını ve arayüzeyi SEM, EDX, XRD ve mikrosertlik analizleri ile incelemişlerdir. Kaplama tabakasının kalınlılığının artan akım yoğunluğuna bağlı olarak arttığını (1-1.2-1.4 mm) tespit etmişlerdir. Arayüzeyde herhangi bir çatlak ve poroziteye rastlamamışlardır. Kaplama tabakasında Cr2Fe7Ni ve Ni3Ti gibi arafazlar tespit etmişlerdir. Yüksek akım
yoğunluğunda kaplama tabakasındaki NiTi oranının ve sertlik miktarının azaldığını tespit etmişlerdir.
Zhang vd., (2008), sürtünme-karıştırma kaynaklı Ti6Al4V alaşımının mikroyapı karakteristikleri ve mekanik özelliklerini incelemişlerdir. Bu çalışmada 3 mm kalınlığındaki Ti6Al4V alaşımına 400 ve 500 devir/dk dönme hızında sürtünme-karıştırma kaynağı yapmışlardır. Ana malzemede α ve β titanyum yapıları varken, kaynak bölgesinde genel olarak β tanelerinin yer aldığını ve bu yapıların artan dönme hızına bağlı olarak arttığını tespit etmişlerdir. Kaynak bölgesinin sertlik değerini ana malzemenin sertlik değerinden daha yüksek bulmuşlardır. ITAB bölgesinde ise bu sertlik değerini düşük bulmuşlardır. Bu sonuçlara α ve β titanyum içeren heterojen yapının neden olduğu düşünülmektedir.
Akman vd., (2009), Ti6Al4V titanyum alaşımlarının lazer kaynağını incelemişlerdir. Bu çalışmada 3 mm kalınlığındaki Ti6Al4V alaşımını Nd:YAG lazer kaynağı ile birleştirmişler ve artan kaynak gücünün nüfuziyete etkisini incelemişlerdir. Artan kaynak gücüne bağlı olarak nüfuziyetin arttığını, artan ilerleme hızına bağlı olarak da azaldığını tespit etmişlerdir. Mikrosertliğin önce kaynak dikişine doğru artış gösterirken, daha sonra esas malzemenin sertlik değerine düştüğünü tespit etmişlerdir.
8
Mikroyapıda ergiyik yapıdan hapsolan birikmiş gazlardan dolayı porozitenin arttığını ve bununda çekme dayanımını düşürdüğünü belirlemişlerdir. Enerji girdisi, süre ve maksimum gücün kaynak nufüziyetini arttırdığını tespit etmişlerdir.
Kurt vd., (2009), anahtar deliği PTA kaynağı işlemi ile birleştirilen AISI 420 martenzitik paslanmaz çeliğin mikroyapısına ostenitik arayüzey tabakanın etkisini incelemişlerdir. Bu çalışmada 10 mm kalınlığındaki AISI 420 martenzitik paslanmaz çelik malzeme çifti ile 2 mm kalınlığındaki ostenitik paslanmaz çelik aratabakayı anahtar deliği PTA kaynağını kullanarak birleştirmişlerdir. Çalışmada anahtar deliği PTA kaynağının ve aratabakanın derin nüfuziyet, mikroyapı, mekanik özelliklere etkilerini incelemişlerdir. Kaynak sonrası mikroyapı analizi, metalografik inceleme ve çentik darbe dayanımı testlerini yapmışlardır. Anahtar deliği plazma ark kaynak tekniği ile kaynak ağzı açmaksızın yaklaşık 7-8 mm’lik nüfuziyet sağlandığını ve kullanılan ostenitik aratabakanın da çentik darbe dayanımını artırdığını, kaynak dikişlerinde herhangi bir makro ve mikro çatlağın meydana gelmediğini tespit etmişlerdir.
Kahraman vd., (2010), saf titanyumun plazma ark kaynağında kaynak akımının etkisini incelemişlerdir. Bu çalışmada 1,5 mm kalınlığındaki saf titanyumun plazma ark kaynağında kaynak akımının etkisini araştırmışlardır. Yapılan çekme testi, çentik darbe deneyi, sertlik deneyi ve optik mikroskop incelemelerinde; en iyi birleştirmenin 65 A değerindeki kaynak akımında elde edildiğini tespit etmişlerdir. Bütün kaynak parametrelerinde sertlik değerlerinin ana metalinkinden daha yüksek çıktığını ve kaynaklı birleştirmelerin mikroyapılarında asiküler α ile birlikte ikiz görüntülerini de tespit etmişlerdir. En yüksek çentik darbe enerjisini 14.7 J olarak 55 A kaynak akımı uygulanan numunede elde etmişlerdir.
Zhou vd., (2010), sürtünme-karıştırma kaynaklı Ti6Al4V birleştirmelerin mikroyapı ve mekanik özelliklerine dönme hızının etkisini incelemişlerdir. Bu çalışmada Ti6Al4V malzemesi 400-600 devir/dk dönme hızında, 75 mm/dk sabit kaynak hızında sürtünme-karıştırma kaynak yöntemi ile birleştirilmiş ve sürtünme kaynağında dönme hızının mikroyapı ile mekanik özelliklere etkisini incelemişlerdir. Yapılan incelemeler sonucunda; ITAB’daki mikroyapının dönme hızından etkilenmediğini, mikrosertlik değerlerinin ve çekme test sonuçlarının ana malzemeden daha düşük olduğunu, bu değerlerin dönme hızının artışına paralel olarak azaldığını tespit etmişlerdir. Bu durumun lamelli yapıdan kaynaklandığını düşünmüşlerdir. Ayrıca artan dönme hızından dolayı yapıda α ve β titanyum oranlarının da arttığını tespit etmişlerdir.
9
Çalıgülü vd., (2011), PTA kaynak yöntemi ile birleştirilen AISI 304/1010 çelik çiftinin birleşme karakteristiklerini incelemişlerdir. Bu çalışmada PTA kaynak yöntemi ile 1.5 mm kalınlığındaki AISI 304 ve AISI 1010 alaşımı çiftini farklı amperlerde ve sabit 0.15 m/dk kaynak ilerleme hızında birleştirmişlerdir. Kaynak dikişinde mikro veya makro çatlağa rastlamamışlardır. Mikrosertlik değerlerinin artan enerji girişine paralel olarak ITAB’dan kaynak dikişine doğru artış gösterdiğini tespit etmişlerdir. Kaynak dikişindeki ergimenin AISI 304 tarafında daha çok olduğunu bunun nedeninin AISI 304’ün ergime derecesinin daha düşük olmasından kaynaklandığını ifade etmişlerdir.
Dikbaş vd., (2011), AISI 430/1010 alaşım çiftinin PTA yöntemi ile kaynak edilebilirliliğini incelemişlerdir. Bu çalışmada 4 mm kalınlığındaki AISI 430/AISI 1010 çelik çiftinin PTA kaynak yöntemi ile farklı amperlerde, farklı koruyucu gaz atmosferlerinde ve sabit kaynak ilerleme hızında birleştirilebilirliğini araştırmışlardır. Kaynak dikişinde mikro veya makro çatlağa rastlamamışlardır. Mikrosertlik değerlerinin ITAB’dan kaynak dikişine doğru artmakta olduğunu bunu sertlik enerji girişine paralel bir şekilde artma gösterdiğini ifade etmişlerdir. Artan kaynak akımı ve enerji girdisine bağlı olarak hem kaynak dikişi havuzunun genişliğinin hem de kaynak dikişinin nüfuziyet derinliğinin arttığını tespit etmişlerdir.
Tomashchuk vd., (2011), Ti6Al4V/Cu/AISI 304 L farklı malzeme çiftlerinin elektron ışın ve Nd:YAG lazer kaynağındaki birleştirmelerde intermetaliklerin oluşumunu incelemişlerdir. Bu çalışmada 500 μm kalınlığındaki bakır aratabaka kullanılarak farklı iki kaynak yöntemi ile birleştirilen malzemelerde meydana gelen intermetalik fazları incelemişlerdir. Aratabaka kullanımının Ti-Fe, Ti-Cr, Fe2Ti, Cr2Ti gibi fazların oluşumunu
azalttığını ve lazer kaynağındaki sonuçların elektron ışın kaynağına göre daha iyi sonuçlar verdiğini tespit etmişlerdir.
Zhao vd., (2012), Ti6Al4V ve kurşun metalinin lazer kaynağında mikroyapı ve mekanik karakteristikleri incelemişlerdir. Bu çalışmada Nd:YAG lazer kaynağını Ti6Al4V ve kurşun metaline uygulamışlardır. Lazer gücü, yoğunluk dağılımı, lazer ışın odaklığı gibi parametrelerin kaynak morfolojisine etkisini incelemişlerdir. Yapılan incelemelerde; kurşun malzemesinin lehimleme özelliği gösterdiği, arayüzeyde farklı bölgelerin oluştuğunu, kaynak bölgesinde Ti-Pb etkileşiminden Ti4Pb intermetalik bileşiğin
oluştuğunu, mikrosertliğin kaynak bölgesinde ana malzemeye göre daha yüksek çıktığını tespit etmişlerdir.
3. GENEL BĠLGĠLER
3.1. Titanyum ve AlaĢımları
3.1.1. GiriĢ
Titanyum, yüksek derecede şekillendirilebilirlik özelliğine sahip düşük yoğunluklu (4.54 gr/cm3) (çeliğin yoğunluğunun yaklaşık % 60’ı kadar) bir elementtir. Titanyum, manyetik değildir ve iyi ısı iletkenliğine sahiptir. Isı iletim katsayısı çeliklerden biraz düşük, alüminyumun ısı iletim katsayısının ise yarısından daha azdır. Ti ve alaşımları, çeliklerden daha yüksek ergime sıcaklığına sahiptirler, fakat genellikle maksimum 425 – 540 °C’leri arasındaki uygulamalarda kullanılırlar. IMI 834 veya Ti-1100 gibi en son geliştirilen alaşımlar yaklaşık 600 °C’ lik bir sıcaklık limitine sahiptir. Titanyum, birçok mineral asitleri ve klorür iyonlarına karşı yüksek bir dayanıma sahiptir. Ti ve alaşımlarının sahip olduğu yüksek dayanım, iyi tokluk, düşük yoğunluk ve iyi korozyon dayanımı gibi özelliklerin kombinasyonu, uzay araçları ve diğer yüksek performansın gerekli olduğu uygulamalarda büyük öneme sahiptir. Titanyum, aynı zamanda insan dokusu ve kemiği ile de biyolojik uyumluluk gösterir (Beaslack vd., 1993; Majorell ve Srivesta, 2002). Bununla birlikte zayıf aşınma davranışı karakteristiğine sahiptirler. Bu yüzden aşınma davranışının gerekli olduğu uygulamalarda yüzey modifikasyonu uygulanabilir (Laksmi vd., 2002). Son zamanlarda geliştirilen yüksek Nb içeriğine sahip Ti alaşımları özellikle yüksek sıcaklıklarda (1100 °C) mükemmel akma dayanımı (350 MPa) sergilerler (Lion ve Guozhen, 1999).
Ti ve alaşımları içerisinde, Ti6Al4V alaşımı endüstriyel uygulamanın yaklaşık % 50’sini oluşturmaktadır. Ti6Al4V alaşımı, şekillendirilebilirlik, iyi kaynak edilebilirlik ve üretim kolaylığı gibi özelliklerin tümüne sahip tek alaşımdır (Beaslack vd., 1993).
3.1.2. Titanyumun Fiziksel Metalurjisi
Titanyum, yaklaşık 885 °C’de hegzagonal sıkı-paket (hsp) bir kristal yapıdan (α fazı) kübik hacim merkezli (khm) (β fazı) bir kristal yapıya dönüşür. Dönüşüm sıcaklığı (β-geçiş), O, N ve C gibi dönüşüm sıcaklığını artıran (α kararlı) arayer elementlerinden,
11
dönüşüm sıcaklığını düşüren (β kararlı) H ile ve dönüşüm sıcaklığını hem artırabilen hem de azaltabilen metalik kalıntı (empürite) veya alaşım elementlerinden aşırı derecede etkilenir. (Sha ve Guo, 1999). Ti’ un mikroyapısı üzerine alaşım elementlerinin etkisi Şekil 3.1’de görülmektedir.
ġekil 3.1. Titanyumun mikro yapısı üzerine alaşım elementlerinin etkisi a) Alfa kararlı (örneğin alüminyum ve oksijen için), b) Beta kararlı (örneğin vanadyum ve niobyum için) ve c) Beta kararlı + (α+β) takviyeli (örneğin bakır ve demir)
Ta, V, Nb ve Mo kübik hacim merkezli Ti ile beta izomorftur. Ti, beta izomorf elementlerle intermetalik bileşik oluşturmaz. Ötektoid sistemler; Cr, Fe, Cu, Ni, Pd, Co, Mn ve diğer geçiş metalleriyle oluşurlar. Bu elementler, α-Ti’ da düşük çözünürlüğe sahiptirler ve dönüşüm sıcaklığını azaltırlar. Bunlar, genellikle β-fazı kararlılığı için beta izomorf elementlerin biri veya birkaçıyla birlikte alaşımlara katılırlar ve yüksek sıcaklıklarda kullanım esnasında meydana gelebilecek intermetalik bileşiklerin oluşumunu minimuma indirirler (Beaslack vd., 1993).
Zirkonyum ve hafniyum, hem α hem de β fazlarıyla izomorfturlar. Kalay ve alüminyum, hem α hem de β fazlarında önemli ölçüde çözünürlüğe sahiptirler. Alüminyum dönüşüm sıcaklığını önemli ölçüde artırırken, kalay hafif derecede düşürür.
Ti alaşımlarının yüksek sıcaklıklardaki mikroyapısal değişiminin temelinde soğuma esnasında meydana gelen α β dönüşümü yatar. Bu dönüşüm alaşımın bileşimi ve soğuma hızına bağlı martenzitik olarak meydana gelebilir. Bu martenzitik ürün genellikle hegzagonal sıkı paket (hsp) kafes yapısına sahiptir ve α' olarak tanımlanır.
12 3.1.3. Titanyumun AlaĢımlarının Sınıflandırılması
Mikro yapılarına bağlı alarak titanyum alaşımları; alaşımsız, α, α+β ve metastabil β alaşımları olarak sınıflandırılır. Bu tanımlar işlem sonrası genel mikro yapıyı ifade etmektedir. Bir α alaşımı, yalnızca çok az miktarda β-fazı içerebilir. Bir α+β alaşımı α ve dönüşmüş β’dan meydana gelir. Metastabil bir β alaşımı ise oda sıcaklığına soğutulduğunda kalıntı β fazı oluşumuna yönlenecek, fakat ısıl işlemle ince α fazı çökelecektir (Beaslack vd., 1993).
3.1.3.1. Saf Titanyum
Yaklaşık % 98-99.5 oranında Ti içeren alaşımsız ürünler, özellikle yüksek dayanımın gerekmediği uygulamalarda genellikle yüksek korozyon dirençlerinden dolayı tercih edilirler. Bu malzemeler, aynı zamanda yüksek şekillendirilebilirlik ve kaynak edilebilirliklerinden dolayı kullanılırlar. Saf titanyum alaşımlarının akma dayanımları arayer ve empürite atomlarının oranına bağlı olarak 170-480 MPa arasında değişir. Tablo 3.1’de alaşımsız Ti’un farklı arayer oranlarına sahip tipleri ve mekanik özellikleri görülmektedir (Kurt,2005).
Tablo 3.1. Alaşımsız titanyumun farklı arayer oranlarına sahip tipleri ve mekanik özellikleri (Kurt, 2005) AlaĢım
Tipi
% BileĢim Çekme Day.
(MPa) Akma Day. (MPa) Al Sn Zr Mo N C H Fe O Tip 1 - - - - 0.03 0.1 0.015 0.2 0.18 240 170 Tip 2 - - - - 0.03 0.1 0.015 0.3 0.25 340 280 Tip 3 - - - - 0.05 0.1 0.015 0.3 0.35 450 380 Tip 4 - - - - 0.05 0.1 0.015 0.5 0.40 580 480 Tip 7 - - - - 0.03 0.1 0.015 0.3 0.25 340 280 Tip 11 - - - - 0.03 0.1 0.015 0.2 0.18 240 170 Tip 12 - - - 0.3 0.03 0.1 0.015 0.3 0.25 480 380
13 3.1.3.2. α-Ti AlaĢımları
Al, Sn ve Zr içeren α-Ti alaşımları, düşük (sıfırın altı) ve yüksek sıcaklık uygulamaları için tercih edilirler. Yüksek sıcaklıklardaki sürünme dayanımı β-Ti alaşımlarından daha iyidir. α-Ti alaşımlarının sahip olduğu düşük arayer elementi içeriği kriyojenik (sıfırın altı) sıcaklıklarda süneklik ve tokluğu korur (Beaslack vd., 1993).
α alaşımları, çok iyi dayanım, tokluk ve kaynak edilebilirlik özelliği ile bilinirler. Fakat β alaşımlarından daha kötü işlenebilirliğe sahiptirler. Isıl işlemle sertleştirilemeyen α alaşımlarının temel mikro yapısal değişimi tane boyutunun değiştirilmesiyle mümkündür. α alaşımlarının temel alaşım elementi Al’dur, fakat küçük miktarlarda β kararlı alaşım elementi içeren α alaşımları (Ti8AlMo1V veya Ti6Al2Nb1Ta0.8Mo gibi) α-yakın alaşımları olarak da sınıflandırılmaktadır. Tablo 3.2’de α-Ti alaşımlarının kimyasal bileşimleri ve mekanik özellikleri görülmektedir (Semiatin vd., 1998).
Tablo 3.2. α-Ti alaşımlarının kimyasal bileşimleri ve mekanik özellikleri (Kurt, 2005)
AlaĢım Tipi
% BileĢim Çekme Day. (MPa) Akma Day. (MPa)
Al Sn Zr Mo Diğer Ti-0.3Mo-0.8 Ni - - - 0.3 0.8Ni 480 380 Ti-5Al-2.5Sn 5 2.5 - - - 790 760 Ti-5Al-2.5Sn-EU 5 2.5 - - - 690 620 Ti-8Al-1Mo-1V 8 - - 1 1V 900 830 Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo 6 2 4 2 - 900 830 Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo 6 - - 1 2Nb, 1Ta 790 690 Ti-2.25Al-11Sn-5Zr-1Mo 2.25 11 5 1 0.2Si 1000 900 Ti-5Al-5Sn-2Zr-2Mo 5 5 2 2 0.25Si 900 830 3.1.3.3. α+β-Ti AlaĢımları
α+β alaşımları, α ve β fazlarının karışımından oluşmaktadır. Bu alaşımlar oda sıcaklığında % 10-50 arasında β-fazı içerirler (Semiatin vd., 1998).
14
α+β alaşımları, ısıl işlem ve yaşlandırmayla sertleştirilebilirler. Isıl işlem, genellikle çift fazlı α+β bölgesinde yüksek bir sıcaklıktan su, yağ veya uygun bir soğutma ortamında soğutmayla yapılır. İşlem sıcaklığından hızlı soğutmayla β fazı yapıda dönüşmeden kalabilir veya kısmen martenzite dönüşebilir. Isıl işlemi, α fazını çökeltmek ve korunmuş veya kısmen dönüşmüş β fazında ince bir α mikro yapısı oluşturmak için 480-600 °C’ler arasında yaşlandırma işlemi takip eder. Isıl işlem ve yaşlandırma işlemi sonucunda α+β alaşımlarının dayanımı % 30-50 arasında artabilir. Alaşımın ısıl işlemi ve yaşlandırmaya cevap vermesi soğutma hızının bir fonksiyonu olarak parça kalınlığına bağlıdır. Ti6Al4V alaşımı için 25 mm’den daha kalın parçaların çok iyi derecede sertleştirilebilmesi için su ortamı yeterli değildir. α+β alaşımlarında β fazı oranı arttıkça sertleşebilirlik de artar. Tablo 3.3’de α+β alaşımlarının kimyasal bileşimleri ve mekanik özellikleri görülmektedir (Beaslack vd., 1993).
Tablo 3.3. α+β Ti alaşımlarının kimyasal bileşimleri ve mekanik özellikleri (Kurt, 2005)
AlaĢım Tipi % BileĢim Çekme
Day. (MPa) Akma Day. (MPa) Al Sn Zr Mo Diğer Ti-6Al-4V 6 - - - 4V 900 830 Ti-6Al-6V-2Sn 6 2 - - 0.75Cu,6V 1030 970 Ti-8Mn - - - - 8Mn 860 760 Ti-7Al-4Mo 7 - - 4 - 1030 970 Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo 6 2 4 6 - 1170 1100 Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr 5 2 2 4 4Cr 1125 1055 Ti-6Al-2Sn-2Zr-4Mo-2Cr 5.7 2 2 2 2Cr,0.25Si 1030 970 Ti-3Al-2.5V 3 - - - 2.5V 620 520 Ti 1100 6 4 4 0.4 0.45Si 1000 900 Ti-5Al-5Mo-1.5Cr 4.5 - - 5 1.5Cr 900 830
Çift fazlı Ti alaşımlarının fonksiyonel karakteristiklerini belirlemede başlıca faktör, ısıl işlem esnasında meydana gelen difüzyonlu ve difüzyonsuz dönüşümlerdir. Titanyum alaşımlarının mekanik özellikleri, hem uzay hem de endüstriyel uygulamalarda kullanılması açısından büyük öneme sahiptir. Alaşımın mikro yapısı, çekme dayanımı,
15
yorulma dayanımı ve kırılma tokluğunu kontrol etmede önemli bir faktördür. Ti alaşımlarının özellikleri ısıl işlem veya termomekanik işlemle geniş bir şekilde değişebilir. Örneğin tamamen lamelli bir yapı, yorulma çatlağı direnci ve yüksek kırılma tokluğuyla tanımlanır (Yıldırım ve Çakan, 2011).
3.1.3.4. β-Ti AlaĢımları
β alaşımları, uygun bir soğuma hızıyla β fazının tamamen korunduğu ve β kararlı elementler açısından yeterli derecede zengin alaşımlardır. Bu alaşımlar metastabildir ve metastabil β’da α’nın çökelmesi alaşımın mukavemetini artırmak için kullanılan bir yöntemdir (Beaslack vd., 1993).
β alaşımlarının sahip olduğu kırılma tokluğu karakteristiği, son yıllarda, uzay araçlarında kullanılması açısından önemini artırmıştır. Ayrıca Mo içeriğine sahip bazı β alaşımları iyi korozyon karakteristiğine de sahiptir (Semiatin vd., 1998).
Metastabil β alaşımları aynı zamanda;
α+β alaşımlarından daha iyi oda sıcaklığında şekillendirilebilirlik karakteristiği,
Akma dayanımının kriter olarak alındığı sıcaklıklarda α+β alaşımlarından daha yüksek dayanım,
Kalın kesitli parçalarda ısıl işleme α+β alaşımlarından daha iyi cevap vermesi, gibi özelliklere sahiptir. Tablo 3.4’de β alaşımlarının kimyasal bileşimleri ve mekanik özellikleri görülmektedir.
16
Tablo 3.4. β Ti alaşımlarının kimyasal bileşimleri ve mekanik özellikleri (Kurt, 2005)
AlaĢım Tipi % BileĢim Çekme Day. (MPa) Akma Day.
(MPa) Al Sn Zr Mo Diğer Ti-10V-2Fe-3Al 3 - - - 10V 1170 1100 Ti-13V-11Cr-3Al 3 - - - 11Cr,13V 1170 1100 Ti-8Mo-8V-2Fe-3Al 3 - - 8 8V 1170 1100 Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr 3 - 4 4 6Cr,8V 900 830 Ti-11Mo-6Zr- 4.5Sn - 4.5 6 11.5 - 690 620 Ti-15V-3Al-3Sn-3Cr 3 3 - - 15V,3Cr 790 775 Ti-15Mo-2.7Nb-3Al-0.2Si 3 - - 15 2.7Nb,0.2Si 1100 1030
3.1.4. Titanyum ve AlaĢımlarının Kaynak Edilebilirliği
Titanyum, oksijene karşı kuvvetli bir kimyasal afiniteye sahiptir. Öyle ki, kararlı ve kuvvetli bir oksit tabakası oda sıcaklığında bile temiz bir yüzeyde hızlı bir şekilde oluşabilir. Bu davranış, kuvvetli bir korozyon direnci sağlayan doğal passiviteye izin verir. Titanyumun oksijene karşı afinitesi ve oksit tabakasının kalınlığı sıcaklıkla artar. 500 °C’nin üzerindeki sıcaklıklarda Ti’un oksidasyon direnci hızlı bir şekilde azalır ve arayer elementi olarak çözünen ve gevrekleşmeye sebep olan oksijen, hidrojen ve azota karşı hassasiyeti aşırı derecede artar. Bu yüzden, ergitme kaynağıyla ilgili olarak ergitme, katılaşma ve katı-hal soğutma inert veya vakum ortamlarında gerçekleştirilmelidir. Ti ve alaşımlarının kaynağında TIG, MIG/MAG, plazma ark, lazer ışın elektron ışın kaynağı gibi ergitme kaynak yöntemleri yaygın bir şekilde kullanılmıştır.
Ti alaşımlarının kaynağındaki kalıntı gerilmeler, özellikle hava ve uzay sanayinde kullanılan parçaların yorulma özelliklerini azaltarak performansına büyük oranda etki edebilir. Bu yüzden, özellikle kalın kesitli parçaların kaynağında çok pasolu geleneksel ark kaynaklarından ziyade tam nüfuziyetli, tek pasolu ve ilave malzemesiz yüksek enerji yoğunluklu kaynak yöntemleri tercih edilmelidir.
α ve α’ya yakın Ti alaşımları süneklik özelliklerinden dolayı iyi kaynak edilebilirliğe sahiptir. Kaynak işlemi sonrası gerilme giderme işlemi çoğunlukla tavsiye edilir.
17
α+β alaşımlarının kaynağı, alaşımın maruz kaldığı ısıl çevrimin bir sonucu olarak mukavemet, süneklik ve tokluk özelliklerini önemli derecede değiştirebilir. α+β alaşımlarının kaynağında kaynak metali ve ITAB’da meydana gelen faz dönüşümleri sünekliğin düşmesine yol açar. Kaynak metalinin sünekliğini düzeltmek, yani β fazı açısından düşük bir kaynak metali oluşturmak için, ya alaşımsız bir Ti veya α-Ti alaşımı bir dolgu metalinin kullanılması gerekir. Ti6Al4V alaşımı en iyi kaynak edilebilen α+β alaşımıdır. Bu kaynak edilebilirlik iki temel faktöre dayandırılabilir. Birincisi, oluşan birincil α martenzit Ti6Al6V2Sn alaşımı gibi β kararlı bir alaşımdaki kadar sert ve gevrek değildir. ikincisi, yüksek soğutma hızlarında bile daha yüksek oranlarda widmanstatten α ve kalıntı β oluşumuna izin veren Ti6Al4V alaşımının nispeten düşük sertleşebilirlik özelliği göstermesidir. Ti6Al2Sn4Zr6Mo ve Ti6Al6V2Sn gibi yüksek oranda β fazı içeriğine sahip α+β alaşımları sınırlı kaynak edilebilirliğe sahiptir. Bu alaşımlar, kaynak bölgesinde çatlak oluşumuna karşı hassastırlar. Bunu önlemek için kaynak öncesi 150-175 °C’lik ön ısıtma ve kaynak sonrası gerilme giderme işlemi mutlaka uygulanmalıdır.
Ti13V11Cr3Al, Ti8Mo8V3Al2Fe ve Ti15V3Al3Cr3Sn gibi β-Ti alaşımları kolaylıkla kaynak edilebilir. Kaynaklı birleştirmeler iyi sünekliğe sahiptir, fakat kaynaklı bağlantının dayanımı nispeten düşüktür. Bu problem, kaynak işlemi sonrasında yaşlandırma sıcaklığı ve süresinin uygun bir şekilde kontrol edilerek, ana metal ve kaynak bölgesi dayanım/süneklik kombinasyonunun sağlanmasıyla ortadan kaldırılabilir.
Titanyum alaşımlarının ergitme kaynak yöntemleriyle birleştirilmesinde karşılaşılan en büyük problem, kaynak metalinin özellikle 500 °C’yi aşan sıcaklıklarda ortamdan kaynaklanan oksijen, azot, karbon ve hidrojene maruz kalmasıdır. Kaynak metalindeki bu arayer elementleri, dayanımı artırır, fakat sünekliği büyük oranda düşürür. Eğer kirlilik seviyesi belirli bir oranı aşarsa kaynak esnasında gerilmeden dolayı çatlamalar meydana gelebilir.
3.1.5. Titanyum ve AlaĢımlarına Uygulanan Kaynak Yöntemleri
3.1.5.1. GiriĢ
Ti ve alaşımları, Ti’ un kimyasal reaksiyona girme kabiliyetinden dolayı özel işlemler ve ön tedbirlere gerek duyulduğu halde, geleneksel ergitme ve katı hal kaynak yöntemlerinin büyük bir çeşidiyle kaynak edilebilir. Titanyumun ergitme kaynağı esas
18
olarak TIG, MIG/MAG ve elektron ışın kaynağı kullanılarak yapılmıştır. Toz esaslı koruyucular kullanılarak yapılan ergitme kaynakları (tozaltı, elektrik ark ve elektro-cüruf) kullanılan yüksek saflıklı fluorid esaslı tozların pahalı olmasından dolayı tercih edilmemektedir (Beaslack vd., 1993).
3.1.5.2. Gaz Tungsten Ark Kaynağı (TIG)
TIG kaynak yöntemi, kaynak ısısının torç içerisine yerleştirilmiş tükenmeyen bir W elektrot ve iş parçası arasında gerçekleşen arkla elde edildiği; elektrot, ergimiş kaynak metali ve ITAB’ın inert bir gazla korunduğu bir kaynak yöntemidir. TIG kaynağında elektrodun parçayla teması söz konusu değildir. Ark, iyonize olarak iletken hale gelmiş koruyucu gaz sayesinde parçaya iletilir. İstenildiğinde dolgu teli, oluşan kaynak havuzunun içerisine eklenerek dışardan verilebilir (Kurt, 2005). TIG kaynak yöntemi şematik olarak Şekil 3.2’de görülmektedir.
ġekil 3.2. TIG kaynak yönteminin şematik görünümü (Buytoz, 2004)
TIG kaynağı yöntemi Ti alaşımı levhaların kaynağında yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Genellikle 3 mm kalınlığa kadar parçalar dolgu metali kullanılmadan kaynak yapılır. Daha kalın parçaların kaynağında uygun bir bağlantı hazırlama ve ilave tel gereklidir. Ti6Al4V alaşımı için verilmiş olan tipik TIG kaynak parametreleri Tablo 3.5’de görülmektedir.
19
Tablo 3.5. Ti6Al4V alaşımının TIG kaynak parametreleri (Kurt, 2005) Parça Kal. (mm) Elektrot Çapı (mm) Dolgu Teli Çapı (mm) Koruyucu Gaz Debisi (m3/h) Kaynak Akımı (A) Paso Sayısı Kaynak Hızı (mm/dk) 0.61 1.6 - 0.51 20-30 1 150 1.6 1.6 - 0.51 20-30 1 150 2.36 2.4 1.6 0.71 170-217 1 205 3.18 2.4 1.6 0.71 190-235 1 205 4.78 2.4 3.2 0.71 220-230 2 205
3.1.5.3. Gaz Metal Ark Kaynağı (MIG)
MIG kaynağında ısı, bağlantı bölgesine torç içerisinden otomatik olarak gönderilen ince çaplı bir tel ve iş parçası arasındaki etkileşimle gerçekleşen ark sayesinde elde edilir. Ark bölgesinin korunması ise torç içerisinden telin etrafından kaynak bölgesine gönderilen koruyucu bir gazla sağlanır. MIG kaynak yöntemi şematik olarak Şekil 3.3’de görülmektedir.
20
MIG kaynağı, 13 mm’nin üzerindeki Ti plakaların kaynağında TIG kaynağından maliyet açısından daha uygundur. Bununla beraber, kaynak esnasında meydana gelen sıçramalar bu kaynak yönteminin Ti ve alaşımların kaynağında kullanılmasını sınırlamıştır. Ti6Al4V alaşımı için verilmiş olan tipik MIG kaynak parametreleri Tablo 3.6’da görülmektedir.
Tablo 3.6. Ti6Al4V alaşımının MIG kaynak parametreleri (Kurt, 2005) Parça Kal. (mm) Elektrot Çapı (mm) Tel Hızı (mm/dk) Koruyucu Gaz Kaynak Akımı (A) Ark Volt. (V) Kaynak Hızı (mm/dk) 3.18 0.16 5.5 75Ar-25He 250-260 20 380 6.35 0.16 7.9 75Ar-25He 300-320 30 380 9.53 0.11 22 85Ar-15He 350-360 33 640 12.7 0.16 10 75Ar-25He 340-360 40 380 15.9 0.16 10.5 75Ar-25He 350-370 45 380 25.4 0.16 9.7 Ar 320-350 36 510
3.1.5.4. Plazma Transfer Ark (PTA) Kaynağı
Bir nozul sayesinde plazma arkının daraltıldığı ve bu sayede artan sıcaklık ve enerji yoğunluğuyla TIG kaynak yönteminin geliştirilmiş bir halidir. Daha yüksek enerji yoğunluğu 13 mm kalınlığa kadar parçaların alın birleştirmelerinde oluşturduğu anahtar deliği sayesinde daha büyük bir nüfuziyet kapasitesine sahiptir (Baeslack vd., 1993). PTA kaynağında ark oluşumunun TIG kaynağından farkı, oluşan ilk pilot arkın nozulun içerisinde gerçekleşmesidir. Bu pilot ark sayesine iyonize olan gaz iletken hale geçerek arkı iş parçasına iletir. PTA kaynak yöntemi şematik olarak Şekil 3.4’de görülmektedir. Ti6Al4V alaşımının PTA kaynağı için tipik kaynak parametreleri Tablo 3.7’de verilmiştir.
21
Tablo 3.7. Ti6Al4V alaşımının PTA kaynağı için tipik kaynak parametreleri (Kurt, 2005) Parça Kal. (mm) Kaynak Hızı (mm/dk) Akım ġiddeti (A) Volt. (V)
Gaz Plazma Gaz Deb. (m3/h) Koruyucu Gaz Deb. (m3/h) 3.18 510 185 21 Ar 0.23 1.7 4.74 330 175 25 Ar 0.51 1.7 9.91 255 225 38 75He-25Ar 0.91 1.7 12.7 255 270 36 50He-50Ar 0.76 1.7 15.2 180 250 39 50He-50Ar 0.85 1.7
ġekil 3.4. Plazma transfer ark kaynak yönteminin şematik görünümü (Kurt, 2005)
3.1.5.5. Elektron IĢın Kaynağı
Elektron ışın kaynağı, odaklanmış yüksek enerji yoğunluklu bir elektron ışınının çarpmasıyla birleştirilecek malzemenin ergitilmesi esasına dayanır. Şekil 3.5’de elektron ışın kaynak makinesi şematik olarak görülmektedir. Bu yöntem, 6 mm’den yaklaşık 75 mm’ye kadar olan titanyum plakalarda yüksek kaliteli kaynaklar oluşturduğundan uzay endüstrisinde geniş bir kullanım alanına sahiptir. Elektron ışın kaynağı yüksek nüfuziyet, minimum bağlantı hazırlığı, dar bir ITAB, düşük çarpılma ve vakum ortamında mükemmel kaynak temizliği gibi avantajlara sahiptir. Aynı zamanda, yüksek ekipman maliyeti ve yüksek soğutma hızından dolayı istenmeyen martenzitik yapıların oluşması gibi
22
dezavantajlara da sahiptir (Kurt, 2005). Ti6Al4V alaşımının EIK için tipik kaynak parametreleri Tablo 3.8’de görülmektedir.
ġekil 3.5. Elektron ışın kaynak makinesinin şematik görünümü (Kurt, 2005)
Tablo 3.8. Ti6Al4V alaşımının EIK için tipik kaynak parametreleri (Kurt, 2005)
Parça Kal. (mm) Kaynak Hızı (mm/dk) IĢın Akımı (mA) Volt. (kV)
3.18 760 95 20 5 2490 170 28 16 1525 260 30 25.4 1120 375 36.5 50 660 450 45 89 510 500 90
Petterson ve arkadaşları, uzay araçlarında yüksek sıcaklığa maruz kalan uygulamalarda TiAl intermetalik alaşımını elektron ışın kaynağıyla birleştirmişler ve kaynak bölgesindeki çatlamaları önlemek için soğutma hızının 300 oC/s’nin altında olması
gerektiğini belirtmişlerdir. Aynı zamanda TiAl intermetalik alaşımının birleştirilmesinde katı-hal kaynak tekniğinin kullanılmasının daha faydalı olabileceğini belirtmişlerdir (Çam ve Koçak, 1999).
